突出煤体视密度测定技术研究_田世祥.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 突出煤体视密度测定技术研究 田世祥 1， 2， 3， 马瑞帅1， 2， 3， 邹义怀1， 2， 3， 林华颖1， 2， 3， 许石青1， 2， 3， 曾建华1， 2， 3 （1．贵州大学 矿业学院， 贵州 贵阳 550025； 2．贵州大学 喀斯特山区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室， 贵州 贵阳 550025； 3．贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵州 贵阳 550025） 摘要 为解决突出煤体由于粒径过小导致其视密度测定结果不准确的问题， 通过理论分析煤 样粒径与视密度之间的关系， 并运用自主研制的视密度测定装置， 选取全国各地 9 个不同变质 程度的煤样， 提出了模拟煤层法测定突出煤体视密度的新方法。结果表明 很小范围内煤体视密 度随煤体粒径的增加而减小后趋于常数； 随着煤体变质程度增大其视密度呈现先变大后变小的 变化规律， 这和煤体变质程度与微孔体积、 孔隙度、 吸附能力变化规律相吻合； 每个煤样在相同 的水分、 粒径、 成型压力和围岩压力下对其视密度测定 2 次， 对测定结果进行误差分析， 分析发 现不同煤样视密度测定误差均小于 0．5％， 不同煤样之间所得的视密度误差最大为 0．33％。 关键词 初始释放瓦斯膨胀能； 视密度； 模拟煤层法； 突出煤体； 误差分析 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0029-05 Study on Measuring Technology for Apparent Density of Outburst Coal TIAN Shixiang1,2,3, MA Ruishuai1,2,3, ZOU Yihuai1,2,3, LIN Huaying1,2,3, XU Shiqing1,2,3, ZENG Jianhua1,2,3 （1．College of Mining, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2．National and Local Joint Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Superior Mineral Resources in Karst Mountainous Area, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3．Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources in Guizhou Province, Guiyang 550025, China） Abstract In order to solve the problem that the apparent density measurement result of the coal body is inaccurate due to its small particle size, the feasibility of the coal seam apparent density measurement by simulating coal seam is researched by theoretical analysis of the relationship between the coal sample particle size and the apparent density． Using the self-developed visual density measuring device, nine coal samples with different metamorphic degrees from different parts of the country were selected for experimental study． The results show that in a very small range, the apparent density of coal samples increases with the decrease of the particle size of coal samples． When the particle size of coal samples is large enough, the apparent density of coal samples will tend to nearly constant value． With the increase of coal metamorphism, the apparent density of coal increases first and then decreases, which is same to the change rule of coal metamorphism degree and coal micropore volume, porosity and coal adsorption capacity． For each coal sample measured twice under the same moisture content, particle size, molding pressure and surrounding rock pressure, the analysis found that the apparent density measurement error is less than 0．5 ; the error difference of the apparent density obtained is no more than 0．33． Key words initial releasing methane expanding energy; apparent density; simulated coal seam ; outburst coal; error analysis 煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯压力作用在含瓦 斯煤体的一种动力现象[1]。在煤与瓦斯突出事故中， 石门揭煤的突出危害最大， 80以上的特大型突出 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．008 田世祥， 马瑞帅， 邹义怀， 等．突出煤体视密度测定技术研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （3 ） 29-33． TIAN Shixiang, MA Ruishuai, ZOU Yihuai,et al．Study on Measuring Technology for Apparent Density of Outburst Coal［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 29-33． 基金项目贵州省科技计划资助项目 （黔科合平台人才 ［2017］ 5788） ； 贵州大学引进人才科研资助项目 （贵大人基合字 （2016） 59 号） ； 贵州省科技厅资助项目黔科合支撑 ［2019］ 2887 号） 移动扫码阅读 29 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 1煤粒简图 Fig．1Coal particle diagram 发生在石门揭开煤层时[2-4]， 石门揭煤时煤与瓦斯的 延期突出更是让人防不胜防[5]。因此， 可靠的石门揭 煤突出危险性预测方法对保障矿井安全生产至关重 要。蒋承林教授从能量角度出发[6]， 提出了煤体突然 暴露后所释放的初始释放瓦斯膨胀能指标来预测石 门揭煤的突出危险性，初始释放瓦斯膨胀能表征了 地应力、瓦斯压力和煤体物理力学特性，预测结果 与现场的实际突出危险具有很好的一致性。然而， 准确测定初始释放瓦斯膨胀能的前提是对煤样视密 度测定的准确性。 关于煤体视密度的测定方法， 1999 年， 张淑娟等[7]首次提出了运用 “倒称法” 对孔隙介 质进行视密度测定； 1995 年， He Huang 等[8]分别运 用 H2、 He 以及它们的混合气体对 Argonne 煤田优质 煤样进行视密度研究； 由于 “倒称法” 用于测定煤体 视密度时误差较大， 采用 H2、 He 以及它们的混合气 体测定煤体视密度时操作复杂，现阶段多采用 “GB/T 69492010 煤的视相对密度测定方法” [9]对煤体进行 视密度测定， 该方法要求煤样采集粒度为 10～13 mm。 由于突出煤体粒径往往不能满足该方法的粒径要求， 且该方法存在蜂蜡浸润松软煤粒内部孔隙和裂隙， 或 者煤粒表层脱落造成煤样损失[10]等方面的不足。基于 此，通过理论分析煤样视密度与粒径之间的关系， 以 选取于全国各地 9 个不同变质程度的煤样为研究对 象，采用自主研制的视密度测定装置进行实验研究， 以期为突出煤体视密度测定提供一种新方法。 1模拟煤层法可行性分析 由于煤是复杂的多孔质体， 煤中空隙在较宽广范 围内变化[11]。为使问题简化同时突出重点， 并且可以 反应煤体表观密度最基本规律， 做以下假设 ①煤样 颗粒以球形颗粒组成； ②煤样颗粒为均质， 各向同性 体； ③裂隙在煤体上为均匀分布。煤粒简图如图 1。 煤的取样质量为 M＝v （1－ρ1） ρ2（1 ） 式中 M 为煤样质量， kg； v 为煤样总体积， m3； ρ1 为煤样中的空隙在煤样体积中的分布密度， kg/m3； ρ2 为煤样的真密度， kg/m3。 煤样中 1 个颗粒的体积为 v1＝ πd 3 6 （2 ） 式中 v1为煤样 1 个颗粒的体积， m3； d 为煤样 颗粒的粒径， m。 煤样中所包含的煤粒个数 A 为 A＝ v v1 ＝ 6v πd 3 （3） 煤样 1 个颗粒的开放性空隙的体积为 v2＝ （πd 3 -π （d－2△x） 3 6 ） ρ1（4 ） 式中 v2为煤样 1 个颗粒的开放性空隙的体积， m3； △x 为煤粒表层的 1 个微小距离， m。 当△x 很小的时候得 v2≈ πd 2 △xρ1 2 （5 ） 所取煤样的总的开放性空隙为 △v1＝Av2＝ 3v△xρ1 d （6 ） 式中 △v1为煤样总的开放空隙体积， m3。 所以煤样的视体积为 V1＝v－△v1＝v－ 3v△xρ1 d （7 ） 式中 V1为所选取煤样的视体积， m3。 计算出所选取煤样的视密度为 ρ＝M/V1 （1－ρ1） ρ2 （1－3ρ1△x/d） （8 ） 式中 ρ 为煤样的视密度， kg/m3。 由式 （8 ） 可知， 煤样视密度 ρ 与该煤样的真密度 ρ2、 煤样中的空隙在煤样体积中的分布密度 ρ1、 煤样 的粒径 d 和煤粒表层裂隙分布的微小距离△x 有关。 由于 ρ2、 ρ1是煤样本身的属性， 可视为常数； △x 是微 观量， 可视为定值。因此， 煤样视密度 ρ随煤样的粒径 d 变化而变化。设 B （1-ρ1） ρ2同时 C3ρ1△x 可得 ρB/ （1－C/d）（9） 式中 B、 C 为常数， 由煤体本身属性决定。 分析式 （9） 得 随着煤样粒径增大其视密度逐渐 减小，当煤样粒度足够大时煤样视密度趋于定值。 突出煤体由于受地应力作用煤粒间相互挤压，可将 30 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2视密度测定装置原理图 Fig．2Schematic diagram of apparent density measuring device 突出煤体看做粒径无限大的煤粒，即此时煤体视密 度趋于定值。而 “GB/T 69492010 煤的视相对密度 测定方法”往往忽略突出煤体由于撤去地应力和吸 附大量瓦斯而的产生的膨胀变形[12]， 与井下煤层赋 存条件不一致。因此，对能否在实验室条件下针对 突出煤体模拟井下地应力环境，后充入高压瓦斯， 待煤样吸附平衡后测定煤样视密度进行实验研究。 2煤样采集与实验设备 2．1煤样采集 为保证实验结果的可靠性，从全国主要产煤基 地选取 9 个变质程度不同的煤样进行研究。煤样采 集要求是松软类煤层或者硬煤中的软分层。 煤样采集采用压风引射取样装置取得。在打钻 过程中，外接风机与钻杆内腔连接，钻进时采取正 压吹风钻进防止钻杆内腔堵塞。钻进到取样地点后 翻转风流方向，外接风机与钻杆内腔形成负压将钻 头切割出来的煤样抽出来。取样钻进过程中一定要 慢，当出现堵塞现象时正压吹风疏通。将取得的煤 样及时的装入不透气的塑料袋中保护起来并确保运 输过程中煤样不受到破坏。 煤样统计见表 1。由表 1 可知， 采集的煤种分布 从低变质程度的长焰煤到高变质程度的无烟煤， 煤 样破坏类型为Ⅳ、 Ⅴ类， 坚固性系数 0．12～0．38， 满足 实验要求的松软突出煤层。将采集煤样破碎至 2 mm 以下， 加水搅拌均匀后密封保存。 2．2实验设备 为在实验室条件下模拟煤层在井下赋存状态， 实验装置主要由 4 部分组成， 分别是压力机、 缸体、 压柱和充气装置， 视密度测定装置原理如图 2。 1） 压力机。压力机选用YF-10000F 长时稳压压 力实验机， 最大压力为 10 000 kN。 施加压力后关闭油 阀，该压力机所施加的压力可以在 48 h 内保持压力 不变。 2） 缸体。煤样缸体设计为圆柱形， 缸体直径为 600 mm， 缸体壁厚度为 80 mm。 在最大压力范围内， 煤样受力可达到 35 MPa， 可模拟井下Ⅳ、 Ⅴ类破坏 类型煤体的受力情况。 3） 压柱。压柱为圆柱形设计， 在实验中起到直 接压制煤样的作用。 4） 充气装置。提供一定数值的瓦斯压力， 保证 实验时煤样充分吸附瓦斯。 3实验研究 3．1实验步骤 1） 将实验设备连接好， 同时将堵头封闭， 为后续 的实验做好准备。 2） 用校准好的电子秤， 称取所需要的煤样质量。 为保证煤层充分压实，将称取好的煤样分 4 次压制， 之后对缸体施加 1 个单轴成型压力维持 30 min 左 右。 煤样压制成型后， 将轴向应力调整为围岩压力， 后 充入 1 MPa 瓦斯气体， 煤样吸附平衡后用深度游标卡 尺测量出压柱深度 h1。围岩压力 σ 计算方法如下 σ＝βh（10 ） 式中 β 为平均地层的密度， t/m3； h 为煤体的赋 存深度， m。 3） 将缸体中的煤样清理干净， 施加 1 个和围岩 压力大小一样的单轴压力， 测出压柱的深度记为 h2。 4） 煤样视密度计算方法如下 ρ＝M/ （1 4 πd1 2 （h2－h1） ）（11 ） 式中 M 为煤样的质量， kg； h1为无煤样时测得 表 1煤样统计表 Table 1Statistical table of coal sample 煤样 挥发分 / 煤类 破坏 类型 坚固性 系数 河南薛湖煤样 19．97贫煤/无烟煤Ⅴ类0．14 贵州威奢煤样 210．49无烟煤Ⅴ类0．27 河南义络煤样 315．42贫瘦煤Ⅴ类0．13 淮北海孜煤样 416．09焦煤Ⅴ类0．25 河北伍仲煤样 522．22焦煤Ⅳ类0．12 山东王晁煤样 628．06气煤Ⅳ类0．13 徐州王庄煤样 735．30弱黏煤Ⅳ类0．26 沈阳铁法煤样 841．90长焰煤Ⅳ类0．32 内蒙乌兰哈达煤样 945．70长焰煤Ⅳ类0．38 31 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 煤样变质程度煤样质量/kg成型压力/MPa围岩压力/MPa煤样体积/dm3 煤样密度 / （g cm-3） 煤样视密度 （国标 ） / （g cm-3） 河南薛湖煤样 1贫煤/无烟煤80．0322459．5451．3441．341 贵州威奢煤样 2无烟煤97．8322467．1111．4571．455 河南义络煤样 3贫瘦煤93．5322461．6581．5161．518 淮北海孜煤样 4焦煤101．5322463．7471．5921．588 河北伍仲煤样 5焦煤86．0322463．9271．3451．344 山东王晁煤样 6气煤94．0322466．6011．4111．413 徐州王庄煤样 7弱黏煤85．2322463．2781．3461．345 沈阳铁法煤样 8长焰煤83．0322463．8971．2991．303 内蒙乌兰哈达煤样 9长焰煤81．0322467．8511．1941．192 图 3煤样视密度柱状图 Fig．3Histogram of apparent density of coal sample 的压柱深度， m； d1为圆形缸体净直径， m。 3．2实验结果 为突出研究重点， 煤样压制时所采用的成型压力 均为 32 MPa， 煤层压制成型后， 将成型压力调整为 24 MPa 进而测定煤样视密度；对所选煤样运用 “GB/T 69492010 煤的视相对密度测定方法”进行视密度 测定与模拟煤层法所测得的实验结果进行对比， 视密 度测定结果见表 2。煤样视密度柱状图如图 3。 由图 3 可得 模拟煤层法测得的煤样视密度与国 标法测得的煤样视密度十分相近， 且分析得视密度差 值最大为 0．004 g/cm3， 证明了模拟煤层法的准确性。 由表 2 可得 随着煤样变质程度增加， 煤样视密 度呈现低-高-低的变化规律。 1 ） 随着煤体变质程度增加煤体孔隙度呈现高- 低-高的变化规律[13]， 煤体视体积与其呈现相同的变 化规律， 煤体视密度呈现相反的变化规律。 2） 随着煤体变质程度增加煤体微孔体积呈现 高-低-高的变化规律[14]。微孔是煤体中气体的主要 储存场所，影响着煤储层吸附空间的大小。煤体吸 附瓦斯较多时往往会产生更大的膨胀变形，由于膨 胀变形的不可逆性，煤体中瓦斯气体的吸附空间往 往影响着煤体膨胀变形大小，间接影响着煤体视密 度大小。当其他条件一定时，煤体变质程度不高时 煤体中瓦斯气体吸附空间往往较大，煤体视密度往 往较小。随着煤体变质程度逐渐增大，煤体微孔体 积先变小后变大， 煤体视密度先变大后变小。 3） 变质程度高和变质程度低的煤体对瓦斯气体 的吸附能力往往大于变质程度中等的煤体对瓦斯气 体的吸附能力[15]。 当其他条件一定时， 变质程度高和 变质程度低的煤体由于吸附更多的瓦斯气体，煤体 的表面张力下降较多，从而引起煤体更大的膨胀变 形，相应视密度较小。变质程度中等的煤体由于吸 附的瓦斯气体较少， 煤体表面张力下降相对较少， 引 起煤体较小的膨胀变形， 相应视密度较大。 实验结果和煤体变质程度与微孔体积、孔隙度、 吸附能力变化规律相吻合， 从侧面验证了实验结果的 准确性。 3．3误差分析 在实验中，存在的误差由系统误差和偶然误差 2 部分组成[16]。为分析实验误差的大小， 对每个煤样 进行 2 次实验测试， 每次测定煤样的水分、 成型压力 和围岩压力保持一致， 2 次测定结果反映实验误差 的大小。实验误差分析见表 3。由结果可知 2 次测 定结果的综合误差均小于 0．5，且综合误差在 0．06～0．33范围内进行变化，符合煤体视密度测 定误差标准。 4结论 1） 在很小的范围内煤样视密度随煤样粒径减小而 增加； 当煤样粒径足够大时煤样视密度将趋于定值。 表 2视密度测定结果 Table 2Measurement results of apparent density 32 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 作者简介 岳文萍 （1982） ， 女， 河南鲁山人， 高级工程 师， 硕士， 2009 年毕业于西安建筑科技大学， 现从事新型改 性混凝土材料的研发以及煤矿井下钻孔瓦斯抽采治理相关 的研究工作。 （收稿日期 2019-07-19； 责任编辑 王福厚） 发展趋势 ［J］ ．岩土力学， 2013， 34 （2） 600－607． ［14］ 王振锋， 周英， 孙玉宁， 等．新型瓦斯抽采钻孔注浆封 孔方法及封堵机理 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （3） 588． ［15］ 张小康， 何富连， 马恒．矿井通风系统环境温度实时 计算与应用 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （5） 863－867． （上接第 28 页） 2 ） 由模拟煤层法得， 随着煤样变质程度增大其 视密度呈现先变大后变小的变化规律，这和煤变质 程度与微孔体积、孔隙度、吸附能力变化规律相吻 合， 从侧面验证了实验结果的准确性。 3） 模拟煤层法与国标法测得视密度的差值最大 为 0．004 g/cm3；由模拟煤层法得不同煤样的视密度 误差均小于 0．5， 不同煤样之间所得的视密度误差 最大为 0．33， 符合煤体视密度测定误差标准， 模拟 煤层法能够满足突出煤体视密度测定需要。 参考文献 ［1］ 杜振宇， 薛俊华， 任波， 等．基于层次-可拓的煤与瓦斯 突出预警研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （12 ） 169-172． ［2］ 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cm-3） 误差 / 河南薛湖煤样 1贫煤/无烟煤1．3441．3420．15 贵州威奢煤样 2无烟煤1．4571．4540．21 河南义络煤样 3贫瘦煤1．5161．5180．13 淮北海孜煤样 4焦煤1．5921．5910．06 河北伍仲煤样 5焦煤1．3451．3460．07 山东王晁煤样 6气煤1．4111．4130．14 徐州王庄煤样 7弱黏煤1．3461．3500．30 沈阳铁法煤样 8长焰煤1．2991．3010．15 内蒙乌兰哈达煤样 9长焰煤1．1941．1980．33 作者简介 田世祥 （1988） ， 男， 贵州镇远人， 讲师， 博 士， 2016 年毕业于中国矿业大学，现主要从事矿井瓦斯灾 害防治等方面的教学与研究工作。 （收稿日期 2019-03-29； 责任编辑 王福厚） 33 ChaoXing